ITU-R S.530 EMPFEHLUNG

ITU-R S.530 EMPFEHLUNG

1. Beschreibung

● Die ITU-R-Empfehlung S.530, „Ausbreitungsdaten und Vorhersagemethoden, die für den Entwurf terrestrischer Sichtliniensysteme erforderlich sind“, enthält eine Reihe von Ausbreitungsmodellen, die für die Bewertung von Ausbreitungseffekten in Mikrowellen-Funkkommunikationssystemen nützlich sind.

● Diese Empfehlung enthält Vorhersagemethoden für die Ausbreitungseffekte, die bei der Gestaltung digitaler fester Sichtlinienverbindungen sowohl bei klarer Luft als auch bei Regen berücksichtigt werden sollten. Es bietet auch Anleitungen zum Linkdesign in klaren schrittweisen Verfahren, einschließlich der Verwendung von Abschwächungstechniken zur Minimierung von Ausbreitungsstörungen. Der prognostizierte endgültige Ausfall ist die Grundlage für andere ITU-R-Empfehlungen zur Fehlerleistung und -verfügbarkeit.

● In der Empfehlung werden verschiedene Ausbreitungsmechanismen mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Funkverbindungen behandelt. Die Anwendungsbereiche der Vorhersagemethoden stimmen nicht immer überein.

● In den folgenden Abschnitten finden Sie eine kurze Beschreibung der implementierten Vorhersagemethoden.

2. Fading aufgrund von Multipath und verwandten Mechanismen

Fading ist der wichtigste Mechanismus, der die Leistung digitaler Funkverbindungen beeinflusst. Multipath in der Troposphäre kann tiefe Überblendungen verursachen, insbesondere auf längeren Wegen oder bei höheren Frequenzen. Die Vorhersagemethode für alle Prozentsätze der Zeit ist in Abbildung 1 grafisch dargestellt.

Für kleine Prozentsätze der Zeit folgt das Fading einer Rayleigh-Verteilung mit einer asymptotischen Variation von 10 dB pro Wahrscheinlichkeitsdekade. Dies kann durch den folgenden Ausdruck vorhergesagt werden:

(1)

(2)

 

(3)

 

● K: geoklimatischer Faktor

● dN1: Punkt-Brechungsgradient in den niedrigsten 65 m der Atmosphäre, der 1% eines durchschnittlichen Jahres nicht überschritten wurde
● sa: Gebietsrauheit, definiert als Standardabweichung der Geländehöhen (m) innerhalb eines Gebiets von 110 km x 110 km mit einer Auflösung von 30 s
● d: Verbindungswegentfernung (km)
● f: Verbindungsfrequenz (GHz)
● hL: Höhe der unteren Antenne über dem Meeresspiegel (m)
● | εp | : absoluter Wert der Pfadneigung (mrad)
● p0: Mehrweg-Auftrittsfaktor
● pw: Der Prozentsatz der Zeitüberblendungstiefe A wird im durchschnittlichen schlechtesten Monat überschritten

Abbildung 1: Prozentsatz der Zeit, pw, Überblendungstiefe, A, im durchschnittlichen schlechtesten Monat überschritten, wobei p0 zwischen 0.01 und 1 000 liegt

Wenn A gleich der Empfängergrenze gemacht wird, ist die Wahrscheinlichkeit eines Verbindungsausfalls aufgrund einer Mehrwegeausbreitung gleich pw / 100. Bei einer Verbindung mit n Sprüngen berücksichtigt die Wahrscheinlichkeit eines PT-Ausfalls die Möglichkeit einer kleinen Korrelation zwischen Überblendungen in aufeinanderfolgenden Sprüngen.

(4)       

In (4) für die meisten praktischen Fälle. Pi ist die für den i-ten Sprung vorhergesagte Ausfallwahrscheinlichkeit und di seine Entfernung. C = 1, wenn A 40 km überschreitet oder die Summe der Entfernungen 120 km überschreitet.

3. Dämpfung durch Hydrometeore
Regen kann sehr tiefe Überblendungen verursachen, insbesondere bei höheren Frequenzen. Die Rec. S. 530 enthält die folgende einfache Technik, die zur Schätzung der Langzeitstatistik der Regendämpfung verwendet werden kann:
● Schritt 1: Erhalten Sie, dass die Regenrate R0.01 für 0.01% der Zeit überschritten wurde (mit einer Integrationszeit von 1 Minute).
● Schritt 2: Berechnen Sie die spezifische Dämpfung γR (dB / km) für die interessierende Frequenz, Polarisation und Regenrate gemäß der Empfehlung ITU-R S.838.

● Schritt 3: Berechnen Sie die effektive Pfadlänge deff der Verbindung, indem Sie die tatsächliche Pfadlänge d mit einem Abstandsfaktor r multiplizieren. Eine Schätzung dieses Faktors ergibt sich aus:

(5)  

wobei für R0.01 ≤ 100 mm / h:

(6)     

Verwenden Sie für R0.01> 100 mm / h den Wert 100 mm / h anstelle von R0.01.

● Schritt 4: Eine Schätzung der Wegdämpfung, die in 0.01% der Fälle überschritten wurde, ergibt sich aus:A0.01 = γR deff = γR d

● Schritt 5: Für Funkverbindungen in Breiten von 30 ° oder mehr (Nord oder Süd) kann die für andere Prozentsätze der Zeit p im Bereich von 0.001% bis 1% überschrittene Dämpfung aus dem folgenden Potenzgesetz abgeleitet werden:

(7)        

● Schritt 6: Für Funkverbindungen in Breiten unter 30 ° (Nord oder Süd) kann die für andere Prozentsätze der Zeit p im Bereich von 0.001% bis 1% überschrittene Dämpfung aus dem folgenden Potenzgesetz abgeleitet werden.

(8)        

Die Formeln (7) und (8) sind im Bereich von 0.001% bis 1% gültig.

Bei hohen Breiten oder hohen Verbindungshöhen können höhere Dämpfungswerte für den Zeitprozentsatz p aufgrund der Wirkung von schmelzenden Eispartikeln oder nassem Schnee in der Schmelzschicht überschritten werden. Die Häufigkeit dieses Effekts wird durch die Höhe der Verbindung im Verhältnis zur Regenhöhe bestimmt, die mit der geografischen Lage variiert. Ein detailliertes Verfahren ist in der Empfehlung [1] enthalten.Die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls aufgrund von Regen wird als p / 100 berechnet, wobei p der Prozentsatz der Zeit ist, in der die Regenabschwächung die Verbindungsspanne überschreitet.

4. Reduzierung der kreuzpolaren Diskriminierung (XPD)
Die XPD kann sich ausreichend verschlechtern, um Gleichkanalstörungen und in geringerem Maße Nachbarkanalstörungen zu verursachen. Die Verringerung der XPD, die sowohl bei klarer Luft als auch bei Niederschlag auftritt, muss berücksichtigt werden.

Der kombinierte Effekt der Mehrwegeausbreitung und der Kreuzpolarisationsmuster der Antennen bestimmt die Verringerung der XPD, die unter klaren Luftbedingungen für kleine Prozentsätze der Zeit auftritt. Um den Effekt dieser Verringerung der Verbindungsleistung zu berechnen, wird in der Empfehlung [1] eine detaillierte schrittweise Anleitung vorgestellt.

Die XPD kann auch durch starken Regen beeinträchtigt werden. Für Pfade, auf denen keine detaillierteren Vorhersagen oder Messungen verfügbar sind, kann eine grobe Schätzung der bedingungslosen Verteilung von XPD aus einer kumulativen Verteilung der co-polaren Dämpfung (CPA) für Regen (siehe Abschnitt 3) unter Verwendung der Gleichwahrscheinlichkeit erhalten werden Beziehung:

(9)      

                                                                                                                                      

Die Koeffizienten U und V (f) hängen im Allgemeinen von einer Anzahl von Variablen und empirischen Parametern ab, einschließlich der Frequenz f. Für Sichtlinienpfade mit kleinen Höhenwinkeln und horizontaler oder vertikaler Polarisation können diese Koeffizienten angenähert werden durch:

(10)     

(11)     

Für Dämpfungen von mehr als 0 dB wurde ein Durchschnittswert von U15 von etwa 9 dB mit einer Untergrenze von 15 dB für alle Messungen erhalten.

Es wird eine schrittweise Anleitung gegeben, um den Ausfall aufgrund der XPD-Reduzierung bei Regen zu berechnen.

5. Verzerrung aufgrund von Ausbreitungseffekten

Die Hauptursache für Verzerrungen auf Sichtlinienverbindungen in den UHF- und SHF-Bändern ist die Frequenzabhängigkeit von Amplitude und Gruppenverzögerung unter Mehrwegbedingungen bei klarer Luft.

Der Ausbreitungskanal wird am häufigsten modelliert, indem angenommen wird, dass das Signal mehreren Pfaden oder Strahlen vom Sender zum Empfänger folgt. Leistungsvorhersagemethoden verwenden ein solches Mehrstrahlmodell, indem sie die verschiedenen Variablen wie Verzögerung (Zeitdifferenz zwischen dem zuerst angekommenen Strahl und den anderen) und Amplitudenverteilungen zusammen mit einem geeigneten Modell von Geräteelementen wie Modulatoren, Equalizer und Vorwärts integrieren Fehlerkorrekturschemata (FEC) usw. Die in [1] empfohlene Methode zur Vorhersage der Fehlerleistung ist eine Signaturmethode.

Die Ausfallwahrscheinlichkeit ist hier definiert als die Wahrscheinlichkeit, dass die BER größer als ein gegebener Schwellenwert ist.

Schritt 1: Berechnen Sie die mittlere Zeitverzögerung aus:

(12)                   

Dabei ist d die Weglänge (km).

Schritt 2: Berechnen Sie den Mehrwegeaktivitätsparameter η wie folgt:

(13)  

Schritt 3: Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit eines selektiven Ausfalls aus:

(14)   

wo:

● Wx: Signaturbreite (GHz)
● Bx: Signaturtiefe (dB)
● τr, x: Die Referenzverzögerung (ns), die zum Erhalten der Signatur verwendet wird, wobei x entweder die Überblendung der minimalen Phase (M) oder der nicht minimalen Phase (NM) bezeichnet.
● Wenn nur der normalisierte Systemparameter Kn verfügbar ist, kann die selektive Ausfallwahrscheinlichkeit in Gleichung (15) berechnet werden durch:

(15)    

wo:
● T: Systembaudperiode (ns)
● Kn, x: Der normalisierte Systemparameter, wobei x entweder die minimale Phase (M) oder die nicht minimale Phase (NM) bezeichnet.

6. Diversity-Techniken

Es gibt eine Reihe von Techniken, um die Auswirkungen von flachem und selektivem Fading zu mildern, von denen die meisten beide gleichzeitig lindern. Dieselben Techniken verringern häufig auch die Verringerung der Kreuzpolarisationsdiskriminierung.Diversity-Techniken umfassen Raum-, Winkel- und Frequenzdiversity. Die Raumdiversität hilft bei der Bekämpfung von flachem Fading (z. B. durch Strahlausbreitungsverlust oder durch atmosphärischen Mehrweg mit kurzer relativer Verzögerung) sowie frequenzselektivem Fading, während Frequenzdiversität nur bei der Bekämpfung von frequenzselektivem Fading (z. B. durch Oberflächenmultipfad und) hilft / oder atmosphärischer Mehrweg).
Wenn Raumdiversität verwendet wird, sollte Winkeldiversität auch verwendet werden, indem die Antennen in verschiedenen Aufwärtswinkeln gekippt werden. Winkeldiversität kann in Situationen eingesetzt werden, in denen keine ausreichende Raumdiversität möglich ist, oder um Turmhöhen zu reduzieren.Der Grad der Verbesserung, der durch all diese Techniken erzielt wird, hängt davon ab, inwieweit die Signale in den Diversitätszweigen des Systems nicht korreliert sind.
Der Diversity-Verbesserungsfaktor I für die Überblendungstiefe A ist definiert durch:I = p (A) / pd (A)

Dabei ist pd (A) der Prozentsatz der Zeit in dem kombinierten Diversity-Signalzweig mit einer Überblendungstiefe größer als A und p (A) der Prozentsatz für den ungeschützten Pfad. Der Diversity-Verbesserungsfaktor für digitale Systeme wird durch das Verhältnis der Überschreitungszeiten für eine bestimmte BER mit und ohne Diversity definiert.

Die Verbesserung aufgrund der folgenden Diversitätstechniken kann berechnet werden:

● Raumvielfalt.
● Frequenzdiversität.
● Winkeldiversität.
● Raum- und Frequenzdiversität (zwei Empfänger)
● Raum- und Frequenzdiversität (vier Empfänger)
● Die detaillierten Berechnungen finden Sie in [1].

7. Vorhersage des Gesamtausfalls
Die Gesamtausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Lufteffekten wird wie folgt berechnet:

(16)       

● Pns: Ausfallwahrscheinlichkeit durch nicht selektives Ausbleichen der klaren Luft (Abschnitt 2).

● Ps: Ausfallwahrscheinlichkeit durch selektives Fading (Abschnitt 5)
● PXP: Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund einer XPD-Verschlechterung im Freien (Abschnitt 4).
● Pd: Ausfallwahrscheinlichkeit für ein geschütztes System (Abschnitt 6).

Die Gesamtausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Regen wird aus der größeren Prain und PXPR berechnet.

● Prain: Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Regenschwund (Abschnitt 3).

● PXPR: Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von XPD-Verschlechterung im Zusammenhang mit Regen (Abschnitt 4).

Der Ausfall aufgrund von Klarlufteffekten wird hauptsächlich auf die Leistung und der Ausfall aufgrund von Niederschlägen, vorwiegend auf die Verfügbarkeit, aufgeteilt.

8. Referenzen

[1] ITU-R-Empfehlung S. 530-13, „Ausbreitungsdaten und Vorhersagemethoden, die für den Entwurf terrestrischer Sichtliniensysteme erforderlich sind“, ITU, Genf, Schweiz, 2009.

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